Математическое и алгоритмическое обеспечение синтеза многоуровневого электромонтажа АСУ по критериям производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Бырка, Роман Викторович

• Бырка, Роман Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бырка, Роман Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩЕСИСТЕМНЫЕ ЗАДАЧИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА МНОГОУРОВНЕВОГО ЭЛЕКТРОМОНТАЖА РЭС АСУ.

1.1. Методологические аспекты решения задач анализа и синтеза электромонтажа.

1.2. Классификация современных видов и методов Электромонтажа.

1.3. Сравнительная характеристика перспективных видов и методов электромонтажа.

2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧ СИНТЕЗА МНОГОУРОВНЕВОГО ЭЛЕКТРОМОНТАЖА РЭС АСУ.

2.1. Выбор концепции синтеза электромонтажа.

2.2. Унифицированная система перспективных технико-экономических показателей качества электромонтажа.

2.3. Анализ структуры затрат на производство электромонтажа.

2.4. Математическая постановка задач синтеза многоуровневого электромонтажа.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИНТЕЗА МНОГОУРОВНЕВОГО ЭЛЕКТРОМОНТАЖА РЭС АСУ.

3.1. Аналитические оценки трудоемкостей проектирования и подготовки производства многоуровневого электромонтажа

3.2. Аналитическая оценка трудоемкости производства многоуровневого электромонтажа

3.3. Аналитические оценки трудоемкостей производства коммутационных плат.

3.4. Аналитическая оценка трудоемкости производства внутриблочного электромонтажа.

3.5. Аналитические оценки трудоемкостей производства межблочного электромонтажа.

3.6. Аналитические оценки конструктивных параметров электромонтажа методом накрутки.

3.7. Аналитические оценки конструктивных параметров комбинированного многоуровневого электромонтажа.

4. МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ СИНТЕЗА

МНОГОУРОВНЕВОГО ЭЛЕКТРОМОНТАЖА РЭС АСУ.

4.1. Методики расчета стоимостей производства электромонтажа.

4.2. Общесистемный алгоритм анализа механико-прочностных показателей качества электромонтажа.

4.3. Общесистемный алгоритм анализа теплофизических показателей качества электромонтажа.

4.4. Общесистемный алгоритм анализа показателей качества электромагнитной совместимости электромонтажа.

4.5. Обобщенный алгоритм синтеза электромонтажа.

4.6. Программное обеспечение для синтеза многоуровневого электромонтажа.

4.7. Исследование многоуровневого электромонтажа по критериям производства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРИАЦИОННОЙ

РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и алгоритмическое обеспечение синтеза многоуровневого электромонтажа АСУ по критериям производства»

Важнейшим направлением решения системных задач развития экономики и повышения обороноспособности страны является разработка больших автоматизированных систем управления (АСУ) во всех сферах деятельности Федерального агентства по промышленности и Министерства обороны РФ. При этом главной задачей становится создание математических средств и методов проектирования этого перспективного класса АСУ.

Практика совершенствования АСУ показывает, что эффективность их внедрения в значительной степени зависит от конструкторской реализации радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ, как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему производства. Общеизвестно, что существенные возможности повышения эффективности конструирования РЭС АСУ закладываются на этапе синтеза многоуровневого электромонтажа как сложных систем, который занимает 20-30% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС в целом и составляет до 30% трудоемкости их производства.

В своем развитии многоуровневый электромонтаж претерпевал множество изменений и совершенствовался вместе со схемотехнической, конструктивной и технологической базами создания новых поколений РЭС, а также с расширением области внедрения больших АСУ различного назначения в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304 - 98.

Заниматься решением задач совершенствования многоуровневого электромонтажа, а именно выбором оптимального варианта (вида, метода, структуры, параметров) необходимо уже на ранних этапах создания базовых несущих конструкций (БНК), разработка которых существенно опережает разработку конкретных ЭМ РЭС, а также на ранних стадиях проектирования РЭС АСУ как сложных иерархических систем. На первый план выдвигается необходимость обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, механической прочности, технологичности и, особенно, снижения сроков и стоимости разработки и производства.

Ретроспективный анализ вариантов многоуровневого электромонтажа и перспектив его развития показал, что комплексное решение задач проектирования и производства электромонтажа возможно только на основе разработки и внедрения средств и методов математического синтеза в отличие от используемого в настоящее время инженерного синтеза, реализуемого, как правило, на базе государственных и отраслевых стандартов, разработанных более 30 лет назад (см., например, ГОСТ 2358679 и ОСТ4 ГО.010.016-72). Однако системному исследованию и разработке этой актуальной проблемы не уделялось достаточного внимания.

Необходимость решения этой проблемы непосредственно связана с реализацией государственных и межотраслевых программ: «Целевая программа регулирования и развития оборонно-промышленного комплекса РФ» Минобороны РФ; «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий РЭС» Минобороны РФ; «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей» Госстандарта РФ и других.

Целью диссертации является совершенствование средств и методов структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа на основе разработки математического, алгоритмического и программного обеспечения для построения АСУ. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи:

- разработка унифицированной системы перспективных количественных технико-экономических показателей качества многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

- разработка целевой функции оптимизации и математической постановки задач структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

- разработка математических моделей, учитывающих зависимости между производственно-технологическимии и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества вариантов электромонтажа ЭМ различного уровня иерархии РЭС АСУ;

- разработка методик и общесистемных алгоритмов структурно-параметрического синтеза электромонтажа по совокупности практически значимых показателей качества;

- разработка специального программного обеспечения синтеза электромонтажа с учетом обеспечения требований проектирования, производства, эксплуатации и модернизации АСУ.

Теоретические исследования диссертационной работы строятся на основе методов анализа сложных систем, исследования операций, математического программирования и современных методов вычислительной математики. В работе используются элементы теории множеств, теории алгоритмов, а также общие вопросы теории и методов конструирования и технологии производства РЭС.

В диссертационной работе предложен, разработан и исследован новый класс методов и средств анализа и синтеза электромонтажа, а также оптимизации его структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий проектирования, подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации перспективных РЭС при создании больших АСУ различного назначения.

Принципиальный вклад в развитие исследований в области формализации задач проектирования и производства электромонтажа РЭС АСУ как сложных систем составляют следующие новые научные результаты, полученные лично автором:

- унифицированная система количественных технико-экономических показателей качества многоуровневого электромонтажа ЭМ любого уровня иерархии РЭС АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации;

-структура, методики расчета и анализа затрат на проектирование, подготовку производства и производство вариантов электромонтажа многофункциональных систем РЭС;

- критерии, состав ограничений и переменных векторной оптимизации электромонтажа; общая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

- комплекс статистических математических моделей для анализа и синтеза вариантов электромонтажа ЭМ всех уровней структурной иерархии РЭС АСУ различного схемотехнического и эксплуатационного назначения;

- методики и общесистемные алгоритмы для структурного и параметрического автоматизированного синтеза электромонтажа РЭС АСУ с учетом обоснованно выбранных критериев, ограничений и переменных оптимизации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Унифицированная система показателей качества электромонтажа, позволяющая определять технико-экономический уровень разработки электромонтажа по показателям стоимости и технологичности его производства, надежности, электромагнитной совместимости и другим, а также прогнозировать динамику развития вариантов электромонтажа и формировать перспективные требования к нему при создании новых поколений РЭС.

2. Методы, модели и алгоритмы векторной оптимизации структуры и параметров электромонтажа, позволяющие синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса проектирования многоуровневых и многофункциональных РЭС за счет системного согласования экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации РЭС и АСУ в целом.

3. Математическая постановка задач структурной и параметрической оптимизации вариантов многоуровневого электромонтажа, целевой функцией которой является минимизация материальных и технологических затрат на его производство, позволяющая проектировать высокоэффективные многоуровневые РЭС при построении перспективных распределенных АСУ различного назначения.

4. Комплекс разработанных и обоснованно выбранных экономико-математических и физико-математических моделей и методик для расчета, анализа и оптимизации стоимостных и конструктивных параметров и показателей качества перспективных вариантов электромонтажа, позволяющих построить эффективные алгоритмы решения задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информации.

5. Программно-реализованные общесистемные алгоритмы синтеза вариантов электромонтажа, основанные на применении метода дискретного программирования - метода многократного отсечения по множеству разнородных и противоречивых критериев, ранжирования определяющих фиксируемых и управляемых параметров, эвристических приемов направленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима обработки информации, обеспечивающие решение задач структурной и параметрической векторной оптимизации электромонтажа за практически приемлемое время на современных ЭВМ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании программного обеспечения (ПО) многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа для перспективных РЭС АСУ различного назначения, позволяющих существенно повысить их технико-экономическую эффективность и увеличить диапазон решаемых задач. Результаты внедрения ПО широко использовались в НИОКР при создании АСУ для бортовых накопителей полетной информации (ЗБН-1-З сер. 3, РЗБН-1, БУР-СЛ сер. 9).

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы были использованы при создании предприятиями Федерального агентства по промышленности унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ, которые соответствуют стандартам МЭК, что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 9-й международной НПК «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Черкассы, 2005 г.); на 6-й и 7-й международных НПК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2005г. и 2006 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 монография.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов диссертационной работы. Основной текст изложен на 148 страницах. Работа содержит 7 таблиц и 12 рисунков. Список литературы включает 71 наименований отечественных и зарубежных публикаций.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Бырка, Роман Викторович

Результаты работы рекомендуется использовать в НИОКР, проводимых ФГУП НИИ «Автоматической аппаратуры» им. акад. B.C. Семинихина, ФГУП НИИ «Систем управления», ОАО «ЦНИИ «Техномаш», ОАО «ЦНИИ «Технологии судостроения» и на других предприятиях Федерального агентства по промышленности, занимающихся созданием новых поколений АСУ различного назначения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бырка, Роман Викторович, 2006 год

1. Мамиконов А.Г., Цвиркун А.Д., Кульба В.В. Автоматизация проектирования АСУ. -М.: Энергоиздат, 1981.- 212 с.

2. Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс. -М.: Наука, 1983.-248 с.

3. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры / П.И. Овсищер, А.И. Пименов, Ю.В. Голованов и др.; Под ред. П.И. Овсищера. М.: Радио и связь, 1988. - 232 с.

4. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988.-280 с.

5. Лутченков JT.C. Автоматизированное проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. -М.: Радио и связь, 1991 204 с.

6. Гаскаров Д.В., Вихров Н.М. Управление и оптимизация научно-технических процессов. СПб.: Энергоатомиздат, 1995. - 302 с.

7. Шелест В.И. Оптимальное проектирование радиоэлектронных систем с волоконно-оптическим электромонтажом. СПб.: Политехника, 1995. - 232 с.

8. ГОСТ РВ 20.39.304 98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения.

9. ГОСТ Р 51676 2000. Конструкции базовые несущие радиоэлектронных средств. Термины и определения.

10. ГОСТ Р 50756.0 2000. Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Типы. Основные размеры.

11. ГОСТ Р 51623 2000. Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Система построения и координационные размеры.

12. ГОСТ Р 52003 2003. Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и определения.

13. Воробьев Е.А. Экранирование СВЧ конструкций. М.: Сов.радио, 1979. - 134 с.

14. Волин M.JI. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1981.-296 с.

15. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры / М.Ф.Токарев, Е.Н.Талицкий, В.А.Фролов; Под ред. В.А.Фролова.-М.: Радио и связь, 1984.-224 с.

16. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.: Мир, 1984. -318 с.

17. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем /В.И. Владимиров, A.JI. Докторов, Ф.В. Елизаров и др.; Под ред. Н.М. Царькова. М.: Радио и связь, 1985. - 272 с.

18. Петровский В.И., Седельников Ю.Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств.-М.: Радио и связь, 1986. — 216 с.

19. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике / Е.В. Авдеев, А.Т. Еремин, И.П.Норенков, М.И. Песков; Под ред. И.П. Норенкова. М.: Радио и связь, 1986. - 319 с.

20. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении / Р.А. Аллик, В.И. Бородянский, А.Г. Бурин и др.; Под ред Р.А. Аллика. М.: Машиностроение, 1986. - 319 с.

21. Гуткин JI.C. Проектирование радиосистем и радиоустройств. -М.: Радио и связь, 1986.-288 с.

22. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР.-М.: Энергоатомиздат, 1987.-400 с.

23. Хог Э., Чой К., Комков В. Анализ чувствительности при проектировании конструкций. -М.:Мир, 1988.-428 с.

24. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры / И.П.Бушминский, О.Ш.Даутов, А.П.Достанко и др.; Под ред. А.П.Достанко, Ш.М.Чабдарова. М.: Радио и связь, 1989. - 624 с.

25. Варне Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами / Пер. с англ. Под ред. Б.Н.Файзулаева. М.: Мир, 1990 - 237 с.

26. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М.: Высшая школа, 1990. 356 с.

27. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1991.-360 с.

28. Марка Д., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования / Пер. с англ. М.: МетаТехнология, 1993. - 240 с.

29. Маквецов Е.Н., Тартаковский A.M. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1993. -200 с.

30. Черненко В.Д. Оптомеханика оптоволоконных световодов и кабелей связи. СПб.: СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 1994. -100 с.

31. Лутченков Л.С., Лайне В.А. Моделирование и анализ тепловых режимов аппаратуры многоканальной связи. СПб.: СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 1995. - 186 с.

32. Компьютерно-интегрированные производства и CALS -технологии в машиностроении. / Т.А. Альперович, В.В. Баранов, А.Н. Давыдов, С.К. Сергеев, Б.И. Черпаков; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Б.И. Черпакова. М.: ГУП «ВИМИ», 1999.-512 с.

33. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.

34. Цыбина Н.Н., Лазарев Е.М. Проектирование радиоэлектронных изделий с использованием различного типа монтажа. М.: МИРЭА, 1990-79 с.

35. Ханке Х.-И., Фабиан X. Технология производства радиоэлектронной аппаратуры / Пер. с нем. Под ред. В.Н. Черняева. -М.: Энергия, 1980.-464 с.

36. IEC 60297 2 Ed. 1.0. Part 2: Dimensions of mechanical structures of the 482.6 mm (19 in) series. Cabinets and pitches of rack structures.

37. IEC 60297 3 Ed. 1.0. Part 3: Dimensions of mechanical structures of the 482.6 mm (19 in) series. Subracks and associated plug-in units + Amendment. No. I.Ed. 1.0.

38. IEC 60297 4 Ed. 1.0. Part 4: Dimensions of mechanical structures of the 482.6 mm (19 in) series. Subracks and associated plug-in units - Additional dimensions.

39. IEC 60917 1 Ed. 1.0. Modular order for the development of mechanical structures for electronic equipment practices. Part 1: Generic standard.

40. IEC 60917- 2 Ed. 1.0. Modular order for the development of mechanical structures for electronic equipment practices. Part 2: Sectional specification Interface co-ordination dimensions for the 25 mm equipment practice.

41. Knox, Rita E., Russel J. Daty. New Technologies for Concurrent Engineering. CALS Journal. 1994. - Vol. 3. - No.l.-P.63-67.

42. Фролих Я. Непаяные соединения в электронике. М.: Энергия, 1978.-191 с.

43. Гавродин Н.Н. Методы изготовления гибких печатных плат и кабелей // Зарубежная радиоэлектроника. 1985. - №5. - С. 51 - 63.

44. Toyama J., Iwai S. Flexible printed circuits // Techno Japan. -1986. -Vol. 19.- No.l.-P.44 -53.

45. Gilleo K. Usine SM devices on flexible circuitry // Electri Onics. -1986.-March.-P. 20-23.

46. Лаймен Д. Новые методы создания плотноупакованных соединительных гнезд для быстродействующих схем // Электроника. 1989. - №10.-С. 31-35.

47. Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи. М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

48. Лутченков Л.С. Оптимальное проектирование несущих конструкций как сложных систем. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1990. - 112 с.

49. А.С. № 1226682 (СССР). Кассета для блоков радиоэлектронной аппаратуры / Я.В. Эмпелис, Р.Ю. Бандерс.

50. А.С. № 1280709 (СССР). Кассета для блоков радиоэлектронной аппаратуры / В.М. Ерофеев, А.А. Шулепова.

51. Лярский В.Ф., Мурадян О.В. Электрические соединители: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

52. А.С. № 1234903 (СССР). Электрический разъем / А.И. Каверин, А.Ю. Мясников, B.C. Палт.

53. А.С. № 790368 (СССР). Разъем / П.И. Болтаев, П.Х. Сулик, Н.П. Ершов, Л.В. Рылов.

54. Hans Brevet. Der Entwicklungsprozess von Steckverbindern fur Oberflachenmontage // Der Elektroniker. 1986. - Nu.3. - S. 66 - 69.

55. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. М.: Мир, 1986. - 349 с.

56. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.-400 с.

57. Левин В.И. Структурно-логические методы исследованиясложных систем с применением ЭВМ. М.: Наука, 1987.-304 с.

58. Баничук Н.Б. Введение в оптимизацию конструкций. М.: Наука, 1986.-302 с.

59. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. М.: Радио и связь, 1984.-248 с.

60. Афанасьев В.П., Полуянов В.Т., Кнава В.Л., Киселева Е.Е. Оценка трудоемкости изделий средств связи на стадии проектирования // Средства связи. 1980. - № 1. - С. 34 - 37.

61. Справочник по нормированию труда / Под общ. ред. А.А. Пригарина, B.C. Серова. -М.: Машиностроение, 1993. 356 с.

62. Бырка Р.В. Система проектирования компьютерных сетей на основе моделирования аналогов // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. СПб., 2004. - Вып. 32. - С. 61 - 65.

63. Бырка Р.В. Унифицированная система несущих конструкций АСУ производственными процессами // Современные информационные и электронные технологии: Труды 6-й международной НПК. Тез. доклада. -Одесса, 2005.-С. 187.

64. Бырка Р.В., Сарвин А.А. Проблемы синтеза многоуровневого электромонтажа АСУ на ранних этапах проектирования. СПб.: Политехника, 2005. - 155 с.

65. Бырка Р.В., Сарвин А.А. Методологические аспекты формализации задач анализа и синтеза несущих конструкций радиоэлектронных средств как сложных систем // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. СПб., 2006. - Вып. 36. -С. 96-119.

66. Бырка Р.В. Алгоритм проектирования многоуровневого электромонтажа радиоэлектронных средств АСУ с учетом электромагнитной совместимости // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. СПб., 2006. - Вып. 36. - С. 120 - 122.

67. Бырка Р.В. Статистические оценки трудоемкости производства базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств как сложных систем // Технологии приборостроения. 2006. - № 3. - С. 26 - 29.

68. Бырка Р.В. Задачи математического обеспечения процессов проектирования несущих конструкций радиоэлектронных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. - № 3. -С. 1-7.

69. Бырка Р.В. Проблемы и задачи синтеза формы и структуры конструктивных модулей радиоэлектронных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. - № 4. - С. 16 - 22.